付杰，王萍，張清，李興榮，田燕芹

（1.山東科技大學測繪與空間信息學院，山東 青島 266590；2.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；3.江蘇海洋大學測繪與海洋信息學院，江蘇 連云港 222005）

隨著全球氣候變化以及人類活動的不斷加劇，生態(tài)環(huán)境問題逐漸成為威脅區(qū)域生態(tài)安全和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一[1]。海南是我國“一帶一路”重要戰(zhàn)略支點，摸清經(jīng)濟發(fā)展背景下全島生態(tài)資源現(xiàn)狀與變化趨勢，對其落實“五位一體”的戰(zhàn)略布局具有重要意義。新形勢下加強生態(tài)環(huán)境保護、遏制生態(tài)環(huán)境破壞，對于維護生態(tài)環(huán)境安全、保障國民經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展意義重大[2-3]。隨著人口規(guī)模的不斷擴大、城市化的加速推進和以房地產(chǎn)為代表的資源消耗性產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境的結(jié)構(gòu)性矛盾日益顯現(xiàn)，人類擾動下的生態(tài)環(huán)境問題就顯得尤為突出，有必要對海南島的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行評價。因此，亟需建立生態(tài)評價模型和定量表達方法，并在此基礎(chǔ)上提出生態(tài)綜合評價的技術(shù)標準和規(guī)范。

為了定量評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，2015 年環(huán)境保護部開發(fā)并發(fā)布了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（EI）模型[4]，但該模型需要收集大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)收集工作較為困難，且在不同區(qū)域進行評價時對各個生態(tài)指標權(quán)重的確定存在較大主觀性，所得結(jié)果為一個數(shù)值，數(shù)據(jù)無法可視化分析[5]。為了解決這些問題，徐涵秋[6]和HU 等[7]提出遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）法進行福州市生態(tài)質(zhì)量評價，對綠度、濕度、干度、溫度4 個基于遙感影像獲取的指標采用主成分分析法進行集成分析，用來快速評估區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。此方法計算簡單，既可以定量表示生態(tài)質(zhì)量高低，又可以進行可視化分析，在多個地區(qū)得到廣泛應用[8-12]?？婗屋x等[12]基于遙感生態(tài)指數(shù)法對甬江流域生態(tài)環(huán)境變化進行分析，得知甬江流域生態(tài)質(zhì)量整體下降，綠度指標對生態(tài)質(zhì)量影響最大。由于研究地區(qū)的不同，許多學者對RSEI 進行改進，來適應不同區(qū)域的實際情況[3，13-15]。如王杰等[15]基于烏蘭布和沙漠干旱區(qū)的實際情況，利用鹽度指標代替干度指標并增加土地退化指標改進RSEI指數(shù)，以此反映干旱區(qū)的生態(tài)質(zhì)量狀況。本研究以海南島作為研究區(qū)，考慮到RSEI是基于城市尺度建立的，其中干度指標考慮的是人類干預的建筑指數(shù)，對于海南島來說，城市和鄉(xiāng)村建筑僅占人類活動對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響的小部分，而地形地貌在海島生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，對植被、土壤的分布具有重要影響[16]，因此需要改進遙感生態(tài)指數(shù)來使其更適用于海南島的特殊地理環(huán)境，并對其應用于大型海島類生態(tài)系統(tǒng)的合理性和準確性進行論證。

目前國內(nèi)鮮有針對大型海島地區(qū)的遙感生態(tài)指數(shù)評估方法，因此為了填補大型海島地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估的空缺，本研究在現(xiàn)有遙感生態(tài)指數(shù)的基礎(chǔ)上增加了土地利用指數(shù)、人口分布指數(shù)以及地形指數(shù)，構(gòu)建了改進遙感生態(tài)指數(shù)（IRSEI）模型，并以海南島為例，探索IRSEI的合理性和代表性，對海南島的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行時空演變分析，以期為海南島生態(tài)環(huán)境的治理與保護及相關(guān)政策法規(guī)的制定提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海南島（18°09′～20°10′N，108°37′～111°03′E，圖1）位于中國南部，全島面積約為33 920 km2[17]。島上氣候為熱帶季風氣候，夏季受到來自西太平洋的東南季風、冬季受到來自印度洋的西南季風影響，5 月至10月為濕季，11月至次年4月為干季[18]。海南島的地形復雜，中部地區(qū)以丘陵山區(qū)為主，沿海地區(qū)以平原為主。其植被分布與地形高度相關(guān)，島上的森林位于海南島中部和南部，該地區(qū)的地形主要是中低山和丘陵；人工林主要分布在山脈周圍的平原上；農(nóng)作物主要種植在沿海的平原地區(qū)[19]。由于海南省人口急劇增加（從1974年的488萬增加到2020年的934萬），當?shù)卣⒘丝偯娣e為27 023 km2的保護區(qū)，以保護自然環(huán)境免受人類活動的劇烈干擾。

1.2 數(shù)據(jù)來源

由于海南島地處熱帶、云量較多、范圍較大，研究區(qū)無云影像獲取需要多幅Landsat 影像拼接，故選取海南5—10 月的濕季Landsat 影像數(shù)據(jù)，結(jié)合Google earth engine平臺，基于GEEAPI編程，篩選成像區(qū)間為當年5 月1 日—10 月31 日且云量小于10%的Landsat SR 影像進行無云影像拼接，獲得2000、2005、2010 年Landsat TM影像和2015、2020年Landsat OLI影像的五期無云影像，空間分辨率為30 m。水體會對主成分分析結(jié)果造成較大影響，為了能真實反映研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，借助改進的歸一化差異水體指數(shù)（Modified NDWI，MNDWI）[20]將水體掩膜，得到研究區(qū)影像。數(shù)字高程模型（Digital elevation model，DEM）數(shù)據(jù)為地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http：//www.gscloud.cn）所提供ASTER GDEM 30 m 分辨率數(shù)據(jù)。五期空間分辨率為30 m的海南島土地利用數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學與衛(wèi)星中心（http：//www.resdc.cn），分類精度超過85%。人口空間分布數(shù)據(jù)集來源于資源環(huán)境科學與衛(wèi)星中心（http：//www.resdc.cn），該數(shù)據(jù)綜合考量了土地利用類型、夜間燈光亮度、居民點密度。涉及海南省各市（縣）行政邊界的矢量數(shù)據(jù)，來源于地理國情監(jiān)測云平臺（http：//www.dsac.cn），主要用于研究區(qū)遙感影像裁剪。

1.3 改進遙感生態(tài)指數(shù)模型構(gòu)建

本研究以海南島為研究區(qū)域，考慮土地利用的改變與人口聚集程度對生態(tài)質(zhì)量的影響，以及坡度對海島生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的植被、土壤分布的重要作用，構(gòu)建包含綠度指標、濕度指標、干度指標、熱度指標、土地利用指標、人口分布指標以及地形指標的改進遙感生態(tài)指數(shù)（IRSEI）模型。

1.3.1 生態(tài)指標計算

歸一化植被指數(shù)（Normalized vegetation index，NDVI）與植物生物量、葉面積指數(shù)和植被蓋度密切相關(guān)，因此本研究采用NDVI 來表示綠度指標[21]。纓帽變換（K-T變換）濕度分量可較好地反映植物、土壤的水分狀態(tài)，因此濕度指標（Land surface moisture，LSM）通過K-T 變換可得，基于Landsat 系列不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的濕度分量具有不同的經(jīng)驗公式[22]。干度指標以土壤指數(shù)（Soil index，SI）和建筑指數(shù)（Impervious building index，IBI）綜合得到的干度指數(shù)（NDBSI）表示[23]。以陸地表面溫度（Land surface temperature，LST）來表示熱度指標[24-25]。土地利用類型反映了生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)，是人類活動對自然界的反映，因此土地利用指標以土地利用強度（Land use intensity，LUI）來表示[26-27]。海南島人口數(shù)量增長迅速，對生態(tài)質(zhì)量影響較大，因此以人口空間分布數(shù)據(jù)來表示人口分布指標（POP）。地形地貌對海島生態(tài)系統(tǒng)影響較大。坡度（Slope）表示地表單元的陡緩程度，可以改變土壤穩(wěn)定性與滲透能力，對土壤侵蝕和植被長勢有較大影響，因此以Slope 來表示地形指標[16]。各指標計算公式均參考相關(guān)文獻。

1.3.2 IRSEI指數(shù)

本研究采用主成分分析法（Principal component analysis，PCA），根據(jù)各個因子對主成分的貢獻率自動客觀分配權(quán)重，可以減少主觀經(jīng)驗賦權(quán)造成的偏差，將7項單一指標耦合成一項綜合指數(shù)。由于各指標維度不同，量綱不統(tǒng)一，為了減小不同指標的數(shù)值的影響，所有指標都應該進行歸一化處理[28]，公式如下：

式中：IN是標準化后的指標值；I是該指標的數(shù)值；Imax和Imin分別是指標的最大值和最小值。

在進行主成分分析前需要利用MNDWI 對水體進行掩膜處理，避免影響PCA的載荷分布。

指標標準化后，通過主成分分析可以得到初始生態(tài)指數(shù)，由表1 可見，主成分分析后的前兩個主成分包含了影像大部分信息，且各個指標在前兩個主成分的載荷正負與大小基本一致，故本研究選取第一、第二主成分構(gòu)建IRSEI模型，其公式為[13]：

式中：IIRSEI為IRSEI 的值；ωi為第i主成分的貢獻率；PCi為第i主成分。

為了便于不同研究時期之間的比較，所得IRSEI值再次進行歸一化處理。IRSEI 的值越高，代表研究區(qū)的生態(tài)狀況越好，反之說明生態(tài)狀況越差。

為了定量、直觀地分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及其變化情況，考慮到IRSEI結(jié)果與EI結(jié)果極為相近（表2），本研究依據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》，將歸一化后的IRSEI 分為差（0～0.2）、較差（0.2～0.35）、中（0.35～0.55）、良（0.55～0.75）、優(yōu)（0.75～1）共5 個生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級[4]；并對各時間段的IRSEI 值進行差值處理，將變化類型分為明顯變差（-1，-0.1]、輕度變差（-0.1，-0.05]、基本不變（-0.05，0.05）、輕度變好[0.05，0.1）、明顯變好[0.1，1）5個等級。

2 結(jié)果與討論

2.1 主成分分析結(jié)果

表1展示了不同年份7個生態(tài)指標在不同主成分中的載荷以及各指標的特征值貢獻率。從表1 中可以看出，第一主成分特征值貢獻率在50%左右，兩個主成分的特征值貢獻率之和均超過70%，說明前兩個主成分集成了7 個指數(shù)的絕大部分特征。而且各個指數(shù)對PC1與PC2的載荷大小規(guī)律性明顯，兩個主成分的載荷值正負基本一致，而PC3～PC7 中的載荷大小與正負均無規(guī)律性，因此使用前兩個主成分依據(jù)其特征值比例構(gòu)建IRSEI 模型，能夠?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量做出合理反映。

表1 不同年份7個生態(tài)指標的主成分分析結(jié)果Table 1 Principal component analysis results of 7 ecological indicators in different years

并且綠度指標（NDVI）、濕度指標（LSM）以及地形指標（Slope）在PC1與PC2中的特征向量均為正數(shù)，干度指標（NDBSI）、熱度指標（LST）、土地利用指標（LUI）、人口分布指標（POP）在PC1 與PC2 中的特征向量均為負數(shù)，只有LST 在PC2 中的特征向量為正數(shù)，但依照特征值比例所構(gòu)建的IRSEI 模型中LST 的特征向量仍為負數(shù)，說明綠度指標、濕度指標以及地形指標對生態(tài)質(zhì)量具有正面影響，干度指標、熱度指標、土地利用指標以及人口分布指標對生態(tài)質(zhì)量具有負面影響，符合生態(tài)學客觀規(guī)律。

2.2 IRSEI指數(shù)的科學性

為了證明IRSEI 的合理性，將2010—2015 年的RSEI 與IRSEI 歸到與EI 一致的0～100，使用三項指數(shù)對海南島的生態(tài)環(huán)境進行對比。

圖2 展示了RSEI 與IRSEI 2000—2020 年的均值變化。從圖2 中可以看出，在2000—2020 年，海南島的RSEI 與IRSEI 的變化趨勢一致，呈現(xiàn)先下降后上升再下降的變化趨勢，總體呈上升趨勢；海南島整體IRSEI 在各年份均大于0.71，說明海南島整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好；IRSEI 在2005 年最小，為0.717，在2015年達到最大，為0.778；IRSEI 從2000 年的0.721 上升至2020年的0.766，增加了6.24%。由表2可知，IRSEI比RSEI 高，IRSEI 更接近EI，表明IRSEI 在海南島應用具有準確性和優(yōu)越性。

圖2 2000—2020年RSEI與IRSEI均值變化Figure 2 The mean value changes of RSEI and IRSEI from 2000 to 2020

表2 海南島生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)（EI）、遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）、改進遙感生態(tài)指數(shù)（IRSEI）的對比Table 2 Comparison of Hainan Island′s EI，RSEI and IRSEI

選擇2005 年的海南島IRSEI 與RSEI 數(shù)據(jù)進行差異性分析，由圖3 可以看出，大部分區(qū)域IRSEI 數(shù)據(jù)略高于RSEI 數(shù)據(jù)，這些地區(qū)一般是土地利用強度較低的園地、林地、草地、濕地等生態(tài)系統(tǒng)，人口分布比較稀疏，環(huán)境質(zhì)量較高，生態(tài)較穩(wěn)定；IRSEI 數(shù)據(jù)低于RSEI 數(shù)據(jù)的區(qū)域多為城市帶及其周邊地區(qū)，一般分布在土地利用強度高的建設(shè)用地，還包括中部山區(qū)部分區(qū)域，這些地區(qū)坡度非常高，導致土壤穩(wěn)定性與滲透能力減弱，進而影響植被生長，這符合人類活動降低生態(tài)質(zhì)量的一般規(guī)律。綜上，相較于RSEI，IRSEI 提高了土地利用、人口分布與地形在海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估中的表達能力。

圖3 2005年海南島IRSEI和RSEI的空間差異分布Figure 3 Distribution of spatial differences between IRSEI and RSEI of Hainan Island in 2005

2.2.2 代表性分析

表3 展示了不同年份IRSEI 與7 項生態(tài)指標的平均相關(guān)度。可以看出，在各個生態(tài)指標中，NDVI的平均相關(guān)度在各個年份均最大，最大值出現(xiàn)在2000 年，為0.68，5 年平均相關(guān)度均值為0.66；IRSEI 與各個生態(tài)指標在各年的平均相關(guān)度均在0.67 以上，5 年平均相關(guān)度均值為0.69，比單項指標中最大的NDVI 高出3%，比各項指標合起來的5 年平均相關(guān)度均值0.577高出11.3%。由此可見，IRSEI 不僅集成了各項指數(shù)的信息，而且比每項單個指標的代表性都強，可以更加綜合、準確、客觀地反映海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。

表3 不同年份IRSEI與各生態(tài)指標的平均相關(guān)度Table 3 Average correlation between IRSEI and various ecological indicators in different years

2.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空變化

表4 為海南島不同時期生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級的面積與比例，由于生成IRSEI 時對水體進行掩膜處理，所以各期面積略有差異。

從表4 中可以看出，在各個年份海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為良、優(yōu)級別的總面積占比均超過89%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為差與較差的總面積占比均低于1.48%，海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量很好。2000、2005年與2010年，海南島的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量級別分布情況大致相同，等級為優(yōu)的土地占比最多，約為47%，其次是等級為良的土地，約為44%，等級為中的土地約占8%，等級為較差和差的土地占比極少，約為1%。2000—2010 年，等級為優(yōu)的面積先減少后增加，等級為中和較差的面積先增加后減少，等級為良和差的面積一直增加，各個等級變化較少，證明海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較為穩(wěn)定。2010—2015 年，海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量級別發(fā)生變化，等級為優(yōu)的面積大幅上升，升幅約50%，等級為良的面積大幅下降，降幅約50%，其他等級的土地面積變化較小，可見海南島生態(tài)保護舉措頗見成效，大量等級為良的土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到提升。2015年與2020年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量級別分布相似，等級為優(yōu)的土地占據(jù)絕大部分比例，平均約占68%，其次為等級為良的土地，平均約占25%，等級為中的土地約占5%，等級為較差和差的面積占比約為1.3%。2015—2020 年，等級為優(yōu)、中與較差的面積減少，等級為良和差的面積增加，其中等級為優(yōu)、中、較差的土地減少面積與等級為良的土地增加面積相近，說明2015—2020 年間海南島IRSEI 下降的原因是部分優(yōu)等級的土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降至良等級。綜上所述，海南島20 年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所提升，尤其是近10 年間，等級為優(yōu)的土地面積明顯增加，但是近5 年來海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所降低，需要制定更科學的生態(tài)保護策略，更好地維護生態(tài)質(zhì)量。

表4 不同年份海南島各等級IRSEI的面積與比例Table 4 Areas and proportions of various grades of IRSEI in Hainan Island in different years

從空間上看（圖4），海南島中南部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量高于東部、北部以及環(huán)島地區(qū)。中南部地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級主要為優(yōu)，少部分等級為良和中，這些地區(qū)的土地利用以森林、灌木、園地、草地為主，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量很好；而在海南島東部、北部地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級主要為良與中，這些地區(qū)的土地利用以農(nóng)田、園地、草地為主，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好；在海南島環(huán)島地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級主要為良與中，還存在一些等級為較差與差的地區(qū)，這些地區(qū)的土地利用以農(nóng)田、建設(shè)用地為主，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對較低，等級為較差與差的地區(qū)主要分布在城區(qū)周邊。

上述研究的關(guān)鍵點就是電力變壓器等效網(wǎng)絡的仿真計算。這也是系統(tǒng)研究電力變壓器繞組機械故障(徑向變形和軸向位移)和內(nèi)部電氣故障(匝間短路故障和局部放電故障)的故障程度以及位置對變壓器差動保護影響的重點之一。本文通過建立集總參數(shù)模型,可以仿真繞組變形位移以及匝間短路故障,以期后續(xù)對故障類型、故障程度以及故障位置的檢測提供參考。

圖4 2000—2020年海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級Figure 4 Hainan Island′s ecological environment quality classification from 2000 to 2020

2.4 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空差異

為了分析2000—2020 年間海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化情況，對各年份海南島IRSEI 值進行差值處理，并對處理結(jié)果進行分級統(tǒng)計。表5為20年間海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量面積變化，分階段來看，2000—2005年，海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有61.5%的面積基本不變，輕度變好和明顯變好的比例為11.2%和6.4%，輕度變差和明顯變差的比例為11.8%和9.1%，變差的比例高于變好的比例，但差距較小，說明海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在此期間略有下降；2005—2010 年，有60.9%的面積基本不變，輕度變好和明顯變好的比例為12.6%和9.4%，輕度變差和明顯變差的比例為10.3%和6.8%，變差的面積小于變好的面積，兩者差距也較小，說明海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在此期間略有上升；2000—2010年間海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量先下降后上升，但變幅較小，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定；2010—2015 年間，海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以變好為主，達到56.9%，輕度變好和明顯變好的比例分別為28.2%和28.7%，只有33.8%的面積基本不變，輕度變差和明顯變差的比例為4.0%和5.3%，變好的面積遠大于變差的面積，說明海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在此期間得到顯著提升；2015—2020 年間，有55.5%的面積基本不變，輕度變好和明顯變好的比例為8.4%和7.9%，輕度變差和明顯變差的比例為16.8%和11.4%，變差的比例高于變好的比例，但差距較小，說明海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在此期間略有下降。總體來說，在2000—2020 年間，海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以變好為主，面積占比為47.5%，輕度變好和明顯變好的比例為25.3%和22.2%，基本不變的比例為40.4%，輕度變差和明顯變差的比例為5.4%和6.7%，說明海南島20年來的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到顯著提升。

表5 2000—2020年海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量面積變化Table 5 Changes in the quality of Hainan Island′s ecological environment from 2000 to 2020

從空間上來看（圖5），2000—2005年，大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量未發(fā)生變化；海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化主要發(fā)生在東北部地區(qū)以及環(huán)島城市帶，變差區(qū)域集中分布在文昌市、瓊?？h、萬寧市，在海南島中部地區(qū)也有零星分布；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好轉(zhuǎn)主要發(fā)生在海南島的北部、西南地區(qū)，變好區(qū)域集中分布在瓊中縣、白沙縣、保亭縣，在中部地區(qū)也有一些聚集分布。2005—2010年間，大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量未發(fā)生變化；海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化主要發(fā)生在北部地區(qū)以及西南環(huán)島城市帶，變差區(qū)域集中分布在海口市、三亞市、東方市；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好轉(zhuǎn)主要發(fā)生在海南島的東北部、北部地區(qū)，變好區(qū)域集中分布文昌市、澄邁縣、屯昌縣。2010—2015年，大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到提升，主要分布在東部、北部地區(qū)；海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不變的區(qū)域主要在中部地區(qū)；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域零星分布在東北部、西南沿海等建設(shè)用地地區(qū)。2015—2020年，大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量未發(fā)生變化；海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化主要發(fā)生在北部地區(qū)以及東部環(huán)島城市帶，變差區(qū)域集中分布在?？谑?、瓊海縣；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好轉(zhuǎn)主要發(fā)生在海南島的東北部、西南部地區(qū)，變好區(qū)域集中分布在文昌市、樂東縣?？偟膩砜?，2000—2020年間大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量發(fā)生好轉(zhuǎn)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不變的區(qū)域主要分布在中部山區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的區(qū)域主要分布在以建設(shè)用地和耕地為主的環(huán)島沿海城市帶，受人類活動影響較大的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低的概率更大。

圖5 2000—2020年海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間變化Figure 5 Spatial changes of Hainan Island′s ecological environment quality from 2000 to 2020

2.5 IRSEI變化成因

為了分析各年份IRSEI 的變化原因，利用回歸分析方法[14]，對研究區(qū)進行隨機采樣，在研究區(qū)生成30 000 個隨機點，并根據(jù)水體掩膜剔除無效采樣點，提取每個采樣點的7 項指標與IRSEI 值，以IRSEI 為因變量，7項指標為自變量構(gòu)建回歸模型如下：

式中：x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7分別代表NDVI、LSM、NDBSI、LST、LUI、POP、Slope 的值；表6 展示了各年份回歸模型系數(shù)值和決定系數(shù)值。

從表6 可知，各個方程的R2均為1，表現(xiàn)出極好的擬合性。NDVI、LSM、Slope 為正向指標，NDBSI、LST、LUI、POP 為負向指標。在正向指標中，各個年份NDVI 的貢獻度均最高，說明海南島植被覆蓋對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提升至關(guān)重要，LSM 相對較弱，Slope 貢獻度最低，NDVI 與LSM 對生態(tài)質(zhì)量升高起主導作用；在負向指標中，各指標貢獻度的絕對值大小排序依次為POP＞LUI＞NDBSI＞LST，其中POP 和LUI 的貢獻度最高，遠高于NDBSI 和LST，說明土地利用與人類活動限制了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提升，POP 與LUI 對生態(tài)質(zhì)量降低起主導作用。由于本次評估的對象是整個海南島的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，大部分地區(qū)不屬于城市區(qū)域，所以NDBSI與LST的貢獻度較低。

近年來，NDVI、LSM 的貢獻度有所降低，LUI、POP的貢獻度絕對值明顯升高，說明土地利用與人類活動對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的干擾程度越來越大。

圖6 展示了海南省各生態(tài)指數(shù)20 年來的歸一化值，由回歸模型可以看出，在2000—2020年間，NDVI、LSM、LUI與POP均呈現(xiàn)升趨勢，NDVI和LSM對IRSEI的正向貢獻率高于LUI 和POP 的負向貢獻率，因此雖然NDVI 和LSM 的升幅略小于LUI 和POP，但是海南島整體IRSEI 得到提升。從表6 中可以看出，在2015—2020年間，由于人類活動對自然環(huán)境影響作用越來越大，LUI 和POP 的負向貢獻率急速升高，NDVI與LSM 的正向貢獻率急速降低，且LSM 和NDVI 呈現(xiàn)下降趨勢，LUI 和POP 絕對值持續(xù)升高，說明2015—2020 年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低。因此，要穩(wěn)定優(yōu)化海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，應實施嚴格有效的政策來控制建設(shè)用地擴張，繼續(xù)推進植樹造林活動，持續(xù)改善海南島植被覆蓋狀況；減少城市不透水層材料的使用；開發(fā)新型灌溉技術(shù)，增加土壤濕度。

圖6 2000—2020年海南島生態(tài)指數(shù)歸一化值Figure 6 The normalized value of Hainan Island′s ecological index from 2000 to 2020

表6 各年份回歸模型系數(shù)Table 6 Regression model coefficients in different years

3 結(jié)論

本研究以海南島為研究區(qū)，提出改進遙感生態(tài)指數(shù)（IRSEI），融合綠度、干度、濕度、熱度、土地利用、人口分布與地形地貌指標，構(gòu)建了適用于海南島的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估體系，改善了遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）在大型海島的應用。研究結(jié)論如下：

（1）IRSEI前兩個主成分的貢獻率約為70%，集成了絕大部分有效信息。綠度指標、濕度指標、地形指標對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起積極的促進作用，干度指標、熱度指標、土地利用指標、人口分布指標對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有消極的負面作用。相較于RSEI，IRSEI 指數(shù)綜合考慮人類活動與自然生態(tài)的影響，更能準確反映大型海島地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

（2）海南島在2000—2020 年間的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)“下降-上升-下降”的波段趨勢，整體呈上升趨勢；總體來看，海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較高，等級為優(yōu)的土地占比最高，在2015 年之后整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升為優(yōu)等級。由于海南省大部分地區(qū)主要分布有土地利用強度較低的森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)，這些區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量更易得到提升；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的區(qū)域主要分布在土地利用強度較高、以建設(shè)用地和耕地為主的環(huán)島沿海城市帶。

（3）植被覆蓋度和濕度的提高是海南島20 年來整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升的主要原因，土地利用強度和人口聚集程度的提升是海南島局部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的主要原因。